这种扁平的结构可以天富代理主管变形成一张人脸的形状

时间:2020-10-24 15:50 作者:http://zdtnx.com.cn/ 分享到:
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一种原本是平面印刷的晶格结构,随着周围温度的变化而变形成一张人脸的轮廓。转换后的网格的透视图(左),顶视图(中),侧视图(右),大约160mm高。图片:Lori K. Sanders
 
新的结构设计可能导致自动部署帐篷或自适应机器人鳍。
 
麻省理工学院(MIT)和其他地方的研究人员设计了3d打印的网状结构,这种结构可以根据环境温度的变化,从平面层转变为预先确定的形状。新结构可以转化为比其他变形材料和结构更复杂的结构。
 
作为演示,研究人员打印了一个扁平的网格,当暴露在一定的温差下,它会变形成一张人脸的形状。他们还设计了一个嵌入导电液态金属的网状物,这个网状物弯曲成一个穹顶,形成一个主动天线,它的共振频率会随着变形而改变。
 
考虑到材料的特性,该团队的新设计方法可以用于确定要打印的平面网格结构的特定模式,以便使结构转变为所需的形状。天富代理主管
 
研究人员说,今后,他们的技术可能会被用于设计可展开的结构,比如帐篷或覆盖物,它们可以根据温度或其他环境条件的变化自动展开和膨胀。
 
这种复杂的、可变形的结构还可以用作人造组织的支架或支架,或者用作望远镜中的可变形镜片。麻省理工学院(MIT)机械工程助理教授维姆•范•里斯(Wim van Rees)也看到了软机器人的应用。
 
他说:“我希望看到这种技术能融入其中,比如,我们把一只机械水母放入水中,它会改变形状游泳。”“如果你能把它用作致动器,就像人造肌肉一样,致动器可以是任意形状,再转换成任意形状。然后你就进入了软机器人领域一个全新的设计领域。”
 
Van Rees和他的同事在本周的《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。他的合著者是波士顿大学的J. William Boley;哈佛大学的Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis和L. Mahadevan;德雷柏实验室的查尔斯·利斯桑德雷洛;以及波士顿大学的马克·霍伦斯坦。
 
礼物包装的限制
 
两年前,范·里斯想出了一个理论设计,可以把一张薄薄的平板变成复杂的形状,比如人脸。在此之前,4-D材料(设计成随时间变形的材料)领域的研究人员已经开发出了使某些材料发生变化或变形的方法,但只能形成相对简单的结构。
 
“我的目标是从一个我们想要实现的复杂的3d形状开始,比如人脸,然后问自己,‘我们如何设计一种材料,让它到达那里?’”’”范·里斯说。“这就是逆向设计的问题。”天富代理主管
 
他提出了一个公式来计算双层材料片的各个区域为了达到理想的形状而必须达到的膨胀和收缩,并开发了一个代码来在理论材料中模拟这一过程。然后,他将这个公式付诸实践,并可视化地展示了该方法如何将一个平面连续的圆盘转换成一张复杂的人脸。
 
晶格结构
 
一组网格结构,在应用温差后转变成球形帽或圆顶形状。个体样品从3×3细胞到20×20细胞不等,细胞大小和肋片尺寸也有进一步的变化。出处:威廉·博利
 
但他和他的合作者很快发现,这种方法不适用于大多数物理材料,至少如果他们试图在连续薄片上工作的话。虽然van Rees在他的模拟中使用了连续的薄片,但这是一种理想化的材料,对它所能达到的膨胀和收缩量没有物理限制。相比之下,大多数材料的生长能力非常有限。这一限制对所谓的“双曲率”特性产生了深远的影响,“双曲率”指的是可以同时在两个垂直方向弯曲的曲面。卡尔·弗里德里希·高斯在一个有近200年历史的定理中描述了这一现象,该定理在拉丁语中是“非凡定理”的意思。
 
如果你曾经试图礼物包装足球,你经历了这一概念在实践中:将纸,没有弯曲,一个球的形状,具有积极的双曲率,折痕和皱纹纸两侧和底部完全包球。换句话说,为了使纸张适应双曲率的形状,它必须在必要的位置拉伸或收缩,或同时拉伸或收缩,以均匀地包裹一个球。
 
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